黄土丘陵区林地干化土壤降雨入渗及水分迁移规律

基于近年来黄土丘陵区林地形成大规模土壤干层的事实,为了探索降雨在黄土丘陵区枣林地干化土壤中的入渗、迁移规律,明确干化土壤的修复能力,在陕北米脂试验站建立野外10m大型土柱模拟枣林地干化土壤,采用CS650—CR1000土壤水分自动监测系统对其进行连续定位观测。观测数据分析表明:(1)独立降雨的入渗、迁移深度主要取决于降雨量,大、中、小雨的水分影响深度分别达90~140,70~80,40cm,降雨量一定时还与降雨强度、初始土壤含水量等因素有关,降雨强度越大、初始土壤含水量越高,水分的入渗深度及迁移深度也越大。(2)间歇降雨中几次降雨交互对水分的入渗、迁移产生促进作用。相同雨量下,其入渗深度较独立降雨可提高100%~160%,迁移深度可提高91%~197%。(3)黄土丘陵区并非所有降雨都对土壤水分有影响。观测期内降雨次数与降雨量的有效率分别为36.4%和72.7%。(4)土壤垂向剖面在多次降雨的累积作用下具有层次性,本试验期间降雨影响范围内的土壤剖面主要可以分为3层,0—90cm为降雨入渗敏感层,90—160cm为降雨入渗迟缓层,160—240cm为雨水迁移层。研究结果对于促进黄土丘陵区林地干化土壤的治理与修复,加强土壤水分的科学管理与改善具有重要的理论和实践意义。     

室内模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分布试验

降雨入渗对城市绿化、防洪排涝、农业生产等方面有着重要的意义。采用室内模拟降雨,使用时域反射仪采集相关数据,从土壤含水率变化特征和湿润锋运移特点等方面,研究了在垂向一维条件下不同雨强降雨对水分入渗的影响,探讨在降雨条件下土壤水分的再分布情况,从而确定试验所用砂壤土保水性最优土层范围。结果表明：降雨结束后,土壤水分的再分布主要受土水势控制,随着时间的延长,蒸发作用逐渐占据主导地位;试验所用砂壤土的最佳保水性土层深度为20～35 cm,可为植物的选栽提供参考。     

降雨条件下分层土壤入渗特性

通过室内模拟降雨入渗试验,研究了粘土、壤土和沙土3种土壤不同分层组合方式对土壤入渗特性的影响。结果表明:垂直入渗条件下,分层土壤入渗特征由土壤分层组合方式决定;分层土壤累计入渗量与湿润锋距离呈线性相关关系;分层土壤入渗过程中,当粗沙覆盖细沙且降雨强度大于下层细沙土稳定入渗率时,湿润锋以上剖面可以达到或接近饱和,当细沙覆盖粗沙且降雨强度大于细沙土稳定入渗率时,湿润锋剖面中,除细沙土部分剖面达到饱和,其余粗沙土剖面无法达到饱和,且其饱和程度和下层粗沙土土壤持水能力有关。     

蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分影响的室内模拟研究

通过室内模拟试验研究蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分的影响,以蚯蚓粪覆盖厚度和雨强为试验变量,试验处理设置如下:降雨强度设置为大雨、中雨、小雨;蚯蚓粪覆盖厚度分别为1 cm、2.5 cm、4 cm,覆盖面积为土柱表面积的90%,以裸土作为对照。分别测定降雨完成后10 h内的湿润锋迁移过程和48 h内0～5 cm(上层),5～10 cm(中层)和10～15 cm(下层)的土壤含水率变化情况。结果表明:蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分分布具有一定影响,降雨入渗结束后,覆盖蚯蚓粪处理的土壤含水率在较短时间内低于裸土,但5～15 cm土层含水率不断增加,并逐渐高于裸土,表明蚯蚓粪覆盖能够延缓降雨入渗,并影响黄土区土壤水分再分配过程,对降雨后表层以下的水分增加具有促进作用,有利于提高黄土区降水的利用率。     

保水剂对土壤水分垂直入渗特征的影响

为了探明保水剂对土壤水分入渗性能及变化过程的影响,该文通过室内积水入渗试验,比较分析了保水剂作用下土壤水分的入渗率、累积入渗量及湿润锋等的动态变化。结果表明：保水剂对入渗率的影响具有稳定性和一致性。上层混施（0～10 cm）和层施（5 cm）保水剂会限制土壤水分向下运移,30 min后累积入渗量分别比对照显著减少了17.3%～36.6%和5.5%～46.6%;而且随着保水剂用量增加,抑制效应增大。相比较而言,这种减缓入渗的程度在保水剂层施,且用量为0.1%时更为明显。下层（10～20 cm）混施和层施（10 cm和15 cm）保水剂对土壤水分入渗的抑制是有限的,约比对照降低了4.9%～11.9%;但当保水剂层施量为0.1%时,土壤水分入渗反而会随着入渗进程而增加,累积入渗量可达到对照的1.1倍。层施保水剂后,保水剂层及保水剂下层土壤含水率会普遍增加1.1～1.9倍。     

自然降雨条件下干化土壤水分恢复试验

土壤干燥化是制约黄土丘陵半干旱地区生态环境可持续发展的瓶颈问题,自然降雨是当地土壤水分补充的唯一来源.为探究自然降雨条件下干化土壤的水分恢复状况,在陕北米脂试验站构建野外10 m深大型地下土柱,2014—2019年间利用CS650-CR1000型土壤水分自动监测系统和BLJW-4小型气象观测站对土壤水分、气象状况进行连...     

间歇降雨中土壤含水量分布及其对入渗的影响

通过室内土柱实验,研究了间歇性降雨事件中土壤剖面水分分布特征及其对入渗的影响.实验表明,积水发生时间与雨强和表层5 cm初始土壤含水量密切相关;前期累积入渗量越大.则土壤表面越容易发生积水;间歇入渗过程中,入渗还受间歇时间的影响,相邻入渗事件积水发生时间有提前的趋势.初始事件入渗速度较后续入渗大一个数量级;湿润锋运行速度存在明显的波动,在经历间歇期再分布后,湿润锋运动存在滞后效应,且波动作用较初始入渗更加显著.通过分析,认为土壤水入渗以运动波和扩散波的形式运动,两者交替起主要作用,土壤水分有随含水量升高以运动波传递,随含水量衰减以扩散波形式运动的趋势.     

降雨在裂隙型冰水堆积体中的入渗过程

[目的]探究降雨在裂隙型堆积体中的入渗过程,研究降雨条件下土坡内体积含水率、基质吸力、孔压等的变化情况及湿润锋迁移规律,为降雨诱发覆盖层斜坡失稳机理提供理论支持。[方法]针对两类不同结构堆积体土样进行室内模型试验。[结果]均质模型中湿润峰均匀下渗,锋面达测点后引发孔压及体积含水率减小和基质吸力增加;坡顶受降雨影响变化明显,而坡底变化具有累积效应;裂隙构成雨水入渗的优势通道,其底部会形成暂态饱和区,湿润锋面在该区域产生强烈下凹形成渗透"漏斗",促使湿润锋在该区域先期触底;[结论]降雨入渗过程为:(1)均质型:完全入渗→入渗放缓→稳定入渗→饱和入渗;(2)裂隙发育型:完全入渗→局部强烈下渗→补偿加速下渗→水平侧渗。     

土壤表面电场对黄土母质发育土壤水分入渗特性的影响及模拟

水资源短缺是黄土高原地区农业生产和生态环境建设主要的限制因子。土壤水分入渗过程不仅决定着土壤对雨水和灌溉水等有限水源的利用程度,而且也深刻影响着地表径流和土壤侵蚀强度。土壤表面电场对团聚体稳定性具有重要影响,团聚体破碎后土壤孔隙将发生重要变化,并影响水分入渗过程。然而,目前关于土壤电场作用对黄土母质发育土壤水分入渗过程的影响尚不清楚,同时考虑表面电场作用后经典土壤水分入渗模型的适用性还有待进一步验证。因此,本研究采用室内一维定水头土柱模拟试验,通过定量调控土壤表面电场,研究了不同土壤电场强度对水分入渗速率、湿润锋运移、累积入渗量的影响,并采用Kostiakov模型和Philip模型对土壤水分入渗过程进行拟合。结果表明:(1)湿润锋运移速度、入渗速率和累积入渗量均随入渗电解质浓度的减小、表面电位(绝对值)和电场的增大而降低,这表明土壤表面电场对土壤水分入渗具有重要的、不可忽略的影响。(2)当电解质浓度0.01 mol·L赵世伟,塿土和褐土的电位绝对值大于233 mV和223 mV时,土壤水分入渗特性参数随时间的变化曲线较为接近,表明233 mV和223 mV分别是影响两种土壤水分入渗过程的临界电位值。(3)Kostiakov模型和Philip模型对于塿土和褐土入渗过程的模拟均有较好的适用性,但通过进一步分析其拟合统计特征值(决定系数R~2、残差平方和、均方根误差RMSE值),发现Kostiakov模型的拟合结果更优。该研究结果可为黄土高原土壤水分入渗的内部调控新技术提供理论参考。     

土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响

为研究初始含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,采用径流-入流-出流法和双环入渗法测量比较,采用不同降雨强度（20、40和60mm／h）和3种土壤含水率（2．60％、10．4％和19．5％）进行试验比较。结果表明：土壤入渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着初始含水率的增加而降低;双环法测量的土壤初始入渗率随着含水率增加而增加,稳定入渗率则随着含水率的增加而降低。同时,通过Kostiakov、Horton和Philip入渗模型对试验结果进行回归分析,径流-入流-出流法测量结果均优于双环法测量结果,而且Horton入渗模型回归结果优于其他人渗模型。     

常用绿地土壤改良材料对土壤水分入渗的影响

利用一维垂直土柱法研究几种常用的绿地土壤改良材料及其不同配比对土壤水分入渗的影响,结果表明:土壤水分稳定入渗率、累积入渗量和湿润峰下移距离随土壤含砂量和粒径的增加而显著增加;绿化植物废弃物能提高土壤入渗及湿润峰下降深度,但单独应用效果不明显;脱硫石膏增加土壤入渗,加快湿润峰下移速度;但表施聚丙烯酰胺阻碍土壤水分下渗。Kostiakov入渗模型(I=Kt~(1-α))及幂函数(F=at~b)分别能很好地拟合几种改良材料的累积入渗量以及湿润峰随时间的变化,拟合系数R~2均在0.99以上,且模型中各项指标均较好地表征了几种改良材料的初始累积入渗量、土壤入渗能力的衰减程度及湿润峰变化。以体积比70%土+10%砂+20%绿化植物废弃物+0.5kg/m~3脱硫石膏配比对绿地雨水入渗和蓄积能力最佳。     

人为侵入体对城市绿地土壤水分入渗特征的影响

在快速城市化过程中,人为侵入体大量混入绿地,改变了土壤的三相组成及孔隙特征,但其对城市绿地土壤的入渗影响仍不清楚。基于一维垂直土柱入渗模拟,以典型人为侵入体砖块和混凝土碎块为例,研究其对城市绿地土壤水分入渗的影响特征。结果表明:(1)人为侵入体的混入均会抑制城市绿地土壤水分下渗,导致其稳定入渗速率降低,累积入渗量、湿润锋距离和土壤体积含水量减小,深层土壤水分变化滞后。同一配比下,以混凝土碎块对土壤水分入渗的抑制作用更为明显(P0.1);(2)随着人为侵入体配比从10%增加到20%,土壤稳定入渗率、累积入渗量、湿润锋距离和土壤体积含水量仍持续减小或略有增加,但差异均不显著(P0.1),其对土壤水分下渗的抑制作用渐趋减弱。(3)不同类型人为侵入体及配比下,城市绿地土壤水分的入渗量随时间变化更加符合Kostiakov模型。研究结果可为未来海绵城市的高效建设提供科学依据。     

模拟降雨条件下坡地径流泥沙特征研究

基于野外原位模拟降雨试验,研究桥子沟流域裸地、撂荒地、草地、林地4种土地利用类型的径流和泥沙流失分别对90,120mm/h两种雨强的响应特征。结果表明:雨强90,120mm/h条件下,4种土地利用类型中林地径流量最少,撂荒地产流量最大,约为林地径流量的7倍;产流量顺序为:撂荒地裸地草地林地;产沙量顺序为:裸地撂荒地草地林地;坡面累积径流量和累积产沙量随产流时间呈线性规律变化趋势,径流(产沙)系数表现为撂荒地裸地草地林地。坡面累积产沙量对累积径流量响应呈现幂函数变化规律,而且随着累积径流量增大,累积产沙量递增速率显著增大。     

黄土丘陵区不同坡度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

降雨特征和坡度是影响土壤入渗过程的重要因素,在植被恢复过程中,其对土壤入渗特征的影响可能会有所不同。选取黄土丘陵区6个坡度(5°,10°,15°,20°,25°和30°)的撂荒草地(2年)径流小区(5 m×20 m),观测自然降雨条件下(共计34场降雨,产流11场)植被生长旺期(7—9月)土壤入渗特征,研究降雨过程参数(降雨量、平均雨强、降雨历时和I_(30))、坡度和植被盖度对坡面入渗特征的影响。结果表明:(1)11场产流降雨不同坡度土壤入渗量总体变化范围为6.58～70.91 mm,入渗补给系数为0.83～1.00,入渗率为0.22～19.35 mm/h;(2)土壤入渗量随降雨量呈线性增加(R~2=0.99,p0.01),入渗补给系数随I_(30)呈指数降低(R~2=0.91,p0.01),平均入渗率随降雨强度呈线性增加(R~2=0.71,p0.01),随降雨历时呈幂函数降低(R~2=0.99,p0.05);(3)坡度增大使得径流位移增长,导致入渗量、入渗补给系数和平均入渗率整体随坡度增大而呈幂函数增加,但当坡度25°时,因径流势能沿坡面方向分量增加,径流流速加快,上述入渗特征参数略有降低;(4)由于降雨量在植被生长周期内呈下降趋势,很大程度上导致植被对入渗特征的影响受控于降雨量,土壤入渗量表现出随着植被盖度的增加呈幂函数显著下降的趋势。总体而言,降雨特征和坡度是影响土壤入渗的主要因素,且土壤入渗特征参数可表示为降雨过程参数和坡度的综合幂函数方程;在入渗补给系数较高的情况下,植被覆盖对土壤入渗特征的影响减弱。研究结果对于坡面尺度降雨径流调控机制和生态水文过程研究具有重要意义。     

室内模拟降雨条件下黄土植被边坡径流试验研究

通过室内人工模拟降雨,分别对种植柠条锦鸡儿、披碱草的两个坡面土槽及一个裸地坡面土槽进行不同降雨强度、降雨历时以及不同季节的降雨试验,试验得出边坡种植柠条锦鸡儿和披碱草后降雨的产流量、产流历时、径流转化率等指标,按柠条锦鸡儿、披碱草、裸地顺序递增,雨后土壤含水量的变化是按裸地、柠条锦鸡儿、披碱草顺序递减。该项试验结果,对于进一步研究黄土植被边坡护坡水文效应、评价草本和灌木植物护坡贡献,以及有效防治水土流失、滑坡等浅层地质灾害的发生,具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

黄土丘陵区不同土地利用方式土壤入渗规律研究

在延安燕沟试验区建立不同下垫面(草地、刈割草地、翻耕草地、灌木地、刈割灌木地、翻耕灌木地)小区,分析了30场人工模拟降雨试验的入渗资料,结果表明,植被覆盖地平均入渗率是刈割地的1.2倍,是翻耕地的2.0倍;在地表坡度7°,草灌地土壤容重分别为1.27和0.99 g/cm3条件下,坡面平均入渗率与降雨强度具有极显著的抛物线函数关系.草地、刈割草地、灌木地、刈割灌木地雨强分别达到1.62,2.21,2.49和1.71 mm/mim时,平均入渗率具有最大值,分别为1. 17,0.97,1.67和1.51 mm/min;但翻耕草地、翻耕灌木地与此相反,雨强分别达到1.36和1.68 mm/min时,平均入渗率具有最小值,分别为0.379和0.382 mm/min;Horton入渗公式能较好地模拟不同土地利用方式下降雨的入渗过程.